南京工业大学风力发电原理第四章.

风力发电原理谭剑锋第四章风力发电机组结构第三章风能转换原理需要掌握：水平轴风力机基本结构机舱、机架与偏航系统风轮基本结构风力机传动系统塔架与基础一、风力机基本结构风力机主要部件风轮机舱塔架基础叶片桨毂增速器发电机偏航系统制动系统风力机水平轴风力机主要由以下几部分组成：叶片、机舱、轮毂、调速器、调向装置、传动机构、机械刹车装置和塔架等。一、风力机基本结构一、风力机基本结构双馈风力发电机系统结构风轮的气动性能:吸收和转化风能的性能功率特性是反映风电机组基本性能的重要指标，用风电机组输出功率随风速的变化曲线来表示。功率曲线直接影响风电机组的年发电量。理论风功率与风速的三次方成正比，理想风轮只能吸收部分风功率，实际风电机组的风轮不满足理想风轮条件，并且存在各种损失，其风能吸收数量低于贝茨极限。风电机组的基本性能一、风力机基本结构四个运行阶段1234一、风力机基本结构①不并网发电②并网发电③额定功率④脱网停机水平轴风力机:叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直按功率调节方式划分定桨距风力机变桨距风力机主动失速型风力机垂直轴风力机：风轮围绕一个垂直轴进行旋转。风速额定风速，功率≈额定功率，控制气动功率控制方式：升力和阻力主要取决于风速和攻角，通过调整攻角，可以改变叶片的升力和阻力比例，实现功率控制。按风轮结构划分一、风力机基本结构定桨距风力机:叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率调节完全依靠叶片的失速性能。风速额定风速，在叶片后端失速，使升力系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。优点:结构简单。缺点:不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并且由于阻力增大,导致叶片和塔架等部件承受的载荷相应增大。由于桨距角不能调整，没有气动制动功能，因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制动机构。一、风力机基本结构变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。额定风速，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。优点：高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。缺点：需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。一、风力机基本结构主动失速型风力机：工作原理相当于以上两种形式的组合。利用叶片的失速特性实现功率调节，叶片与轮毂不是固定连接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到额定功率后，使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度，增大来风攻角，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。优点：改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。缺点：增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。一、风力机基本结构并网风电机组所用交流发电机的同步转速为为发电机磁极对数；为电网频率，50Hz。要求：50Hz交流电风轮转速较低，约10~20r/min发电机转子约1500r/min（p=2）解决方法：增速or增大极对数60(/min)fnrppf一、风力机基本结构①高传动比齿轮箱型：优点：由于极对数小，结构简单，体积小；缺点：传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。②直接驱动型：采用多级同步风力发电机，让风轮直接带动发电机低速旋转。优点：没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等，提高了运行可靠性。缺点：发电机极对数高，体积比较大，结构复杂。③半直驱型：上述两种类型的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应减少了多极同步风力发电机的极数，从而减少了发电机的体积。按传动形式划分一、风力机基本结构一、风力机基本结构恒速型风力机：发电机转速恒定不变，不随风速的变化而变化。变速型风力机：发电机工作转速随风速时刻变化而变化。主流大型风力发电机组基本都采用变速恒频运行方式。多态定速风力机：发电机组中包含两台或多台发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行按发电机转速变化划分一、风力机基本结构沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别，海上风电机组具有一些特殊性：1)适合选用大容量风电机组。海上风速通常比沿岸陆地高，风速比较稳定，不受地形影响，风湍流强度和风切变都比较小，并且具有稳定的主导风向。在相同容量下，海上风电机组的塔架高度比陆地机组低。陆地风电机组海上风电机组一、风力机基本结构2)风电机组安全可靠性要求更高。海上风电场遭遇极端气象条件的可能性大；海上风电场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用；海上风电机组长期处在含盐湿热雾腐蚀环境中海上风电机组结构，尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。3)基础形式与陆地风电机组有巨大差别。由于不同海域的水下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、离岸距离、风浪等级、海流情况等多方面影响，因此海上风电机组复杂，用于基础的建设费用也占较大比例。海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备监控、电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异，技术难度大、建设成本高。一、风力机基本结构二、风力机主要参数风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。二、风力机主要参数风轮直径D：决定风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为式中，S为风轮的扫掠面积，D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的风功率也相应增加。风轮直径与扫掠面积312PPSC24DS一.主要参数二、风力机主要参数风电机组风轮直径和相应功率的发展变化情况。早期的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大型兆瓦机组的风轮直径在70~80m范围，目前风轮直径超过100m、额定功率超过若干兆瓦的风电机组投入商业运行。二、风力机主要参数风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机组设计时要考虑的一个重要参数。由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加，当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本相应增加。轮毂高度二、风力机主要参数选择风轮叶片数B时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。叶片数二、风力机主要参数多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因此也称为慢速风轮。当然多叶片风轮由于功率系数很低，因而很少用于现代风电机组。现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中三叶片风轮的功率系数最高，其最大功率系数约为0.47，对应叶尖速比约为7；双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略低，其最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮，即在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此有时也将单叶片和双叶片风轮称为高速风轮。二、风力机主要参数叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明起动转矩越大。风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩转矩系数：功率系数除以叶尖速比，衡量风轮转矩性能重要参数转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。二、风力机主要参数两叶片：风轮制造成本降低，脉动载荷大，风轮转速高，空气动力噪声大，视觉效果差。三叶片：性能比较好，载荷波动小，目前，水平轴风电机组以三叶片风轮为主。风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常用于反映风轮的风能转换性能。风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦，对叶尖速比变化越不敏感。二、风力机主要参数最佳叶尖速比。风电机组风轮的一个主要设计目标是尽可能多地吸收风能，因此在低于额定风速的区域，希望使风轮尽可能工作在最大功率系数附近，即风轮转速与风速的比值尽可能保持在最佳叶尖速比附近。风轮转速、叶尖速比二、风力机主要参数60606071220.84/min22238.5rvnwrR以1.5MW风电机组为例，三叶片风轮，直径77m，额定风速12m/s为例。粗略估算风轮的额定转速。设三叶片风轮对应的最佳叶片速比约为7，风轮的额定转速约为实际风电机组的风轮转速范围的确定，还要考虑其他多种因素，如所列机组的实际转速范围约在11～20r/min之间。风轮转速除了影响风能吸收特性以外，还对风轮的机械转矩产生影响。当风电机组的额定功率和风轮直径确定后，风轮转速增加，则风轮转矩减小，因而作用在传动系统上的载荷也相应减小，并使齿轮箱的增速比降低。二、风力机主要参数风轮锥角:叶片与风轮旋转轴相垂直的平面的夹角。风轮仰角：风轮主轴与水平面的夹角。由于叶片为细长柔性体结构，在其旋转过程中，受风载荷和离心载荷的作用，叶片将发生弯曲变形，风轮锥角和仰角的主要作用是防止叶片在发生弯曲变形状态下，其叶尖部分与塔架发生碰撞。风轮锥角和风轮仰角二、风力机主要参数叶片受力分析偏航角：通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分量的夹角。风电机组在运行过程中，根据测量的风速方向，通过偏航系统对风轮的方向进行调整，使其始终保持正面迎向来风方向，以获得最大风能吸收率。偏航角二、风力机主要参数风电机组设计和选型的主要影响因素：风场条件（风况条件、地理和气候环境特点等）作用：降低风电机组的设计成本，增加风电机组的竞争力。分类参数：风速和湍流状态参数参考手册：风电机组相关设计标准(IEC64000-1)四个级别：三个标准级别(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和一个特殊级别(S)。二、风电机组设计级别二、风力机主要参数ref0.2averefrefI风电机组分级标准依据风场的平均风速和湍流强度两个主要参数。1)为10min参考平均风速，实际风场的10min平均风速值计算：三个标准级别机组所适用的风场的平均风速分别为：I级机组：10m/s平均风速；Ⅱ级机组：8.5m/s平均风速；Ⅲ级机组：7.5m/s平均风速。2)为风速在15m/s时的湍流强度期望值，表中对每个标准机组级别都分为A、B、C三种不同的风湍流状态，其湍流强度期望值分别为0.16、0.14和0.12。即标准机组共有9个类型。3)还列出一个特殊级别S。二、风力机主要参数风轮轮毂高度三、风轮基本结构作用：将叶片力矩传递到发电机。三、风轮基本结构叶片风轮叶片主要实现风能的吸收，其形状决定了空气动力学特性，设计目标是最大可能吸收风能，同时使重量尽可能减轻，降低制造成本。叶片应满足以下要求：①良好的空气动力外形，能够充分利用风电场的风资源条件，获得尽可能多的风能。②可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力；合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞。③良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象，振动和噪声小。④耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护。⑤在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶片重量、降低制造成本。三、风轮基本结构风电机组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变化原因：不同部位的圆周速度相差很大，导致来风的攻角相差很大1．叶片几何形状及翼型三、风轮基本结构叶片特征：展向:翼型、弦长、前缘和后缘形状、叶片扭角不断变化。叶尖部位的扭角根部。叶片的剖面翼型选择：根据相应的外部条件+载荷分析风能的转换效率与翼型升力有关，叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。应用较多的有NACA翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型等。三、风轮基本结构小型风力机叶片：整块木材加工而成，表面涂层保护漆，根部通过金属接头用螺栓与轮毂相连。或采用玻璃纤维或其他复合材料作为蒙皮，增加耐磨性能。大、中型风力机：采用纵向木条胶接在一起，选用优质木材，提高叶片质量。为减轻重量，在木质叶片的后缘部分填塞质地较轻的泡沫塑料，表面用玻璃纤维作蒙皮。采用泡沫塑料的优点不仅可以减轻质量，而且能使翼型重心前移，重心设计在近前